鈉水反應事故擴展研究

裴志勇，許業強 ，武志廣

中國原子能科學研究院，北京 102413

鈉水反應事故擴展研究

裴志勇，許業強 ，武志廣

中國原子能科學研究院，北京 102413

鈉水反應是一個復雜的反應過程，在鈉水蒸汽發生器系統中引起的壓力、溫度等變化難以用數學模型準確的計算，國際上通過實驗和理論計算結合的方法來進行鈉水反應的研究。本文通過設計鈉水反應事故氫離擴散及濃度分布確定試驗來進行鈉水反應事故擴展試驗研究。氫離子擴散輸運過程直接關系到氫探測器的布置方式，對氫計能否及時準確的發出鈉泄漏警報有著重要的意義。

鈉水；反應事故；擴展

1 試驗設備設計及組成

1.1氫探測器

探測裝置氫探測器采用新研制的一體化技術，取樣支路、鎳管傳感器、加熱器和電磁泵采用集成的方式組合成一個一體化的模塊，直接焊接到鈉回路上。鎳管傳感器后接高真空系統，真空系統及控制系統仍采用原擴散型氫計的原理進行設計制造。

1.2注氫設備

注氫是由模型蒸汽發生器頂部插入的注氫毛細管在蒸汽發生器的上部注入口注入的，由毛細管前小型球閥控制的，注入量是由質量流量控制器設定和控制的。

1.3鈉回路

鈉回路主要由主回路、凈化回路、氬氣回路和注射裝置組成。主回路上有模型蒸汽發生器、膨脹罐、電磁泵、電加熱器等，氫氣由其頂部通過一注氫裝置注入蒸汽發生器的中部或底部，試驗裝置流程原理圖見圖1。

圖1　試驗裝置流程原理圖

在試驗開始前要對試驗回路進行預熱、充鈉、鈉凈化等工作。在由儲鈉罐向主回路充鈉前，整個回路、儲鈉罐和電磁泵先進行預熱。在鈉回路灌鈉后，系統開始加熱，并同時啟動冷阱對鈉進行凈化。在一定的冷阱底部溫度（此處為冷阱鈉流出冷阱的地方，氫濃度也最低）下的鈉溫及經過一體化氫計的鈉溫穩定后，凈化鈉至氫計讀數在半小時內不再變化的條件下，記錄各個讀數，此時鈉中氫含量即鈉流本底氫含量，即為相應冷阱底部溫度下的飽和氫濃度。相應的探測系統讀數則是該已知鈉氫濃度下的氫計讀數。在鈉流經氫計時，同時記錄鈉回路參數和氫計探測系統讀數。

2 鈉水反應事故擴展過程試驗方案

鈉水反應是一個快速劇烈的化學反應，且與系統工況有著密切的聯系，即根據鈉溫、壓力、流量和泄漏率等參數的不同，鈉水反應事故發展也不同。根據目前的工程經驗，探測鈉水反應事故必須采用探測反應產物氫離子作為事故報警手段，因此，必須研究事故擴展過程中氫離子的擴散及傳輸路線，以及氫離子濃度的空間分布，從而有目的的進行系統設計和探測裝置的布置，保證探測系統的靈敏度、響應時間和有效性。完成SG事故保護系統鈉水反應事故擴展過程研究，需要開展以下試驗。

2.1氫離子擴散軌跡及其傳輸路線測量試驗

系統預熱結束后，在關閉冷阱的條件下，對系統回路進行注氫。此時，回路中的鈉在冷阱凈化效應下，氫濃度最低。

注氫通過前述質量流量控制器進行，先設定注氫流量，基本設定在0.1SL/min～0.3SL/min，注氫前先用高純氬吹掃，確保注氫毛細管通暢；注氫時，打開質量流量控制器流量控制閥，當瞬時流量顯示有流量時，打開注氫毛細管入口球閥，向模型蒸汽發生器注入氫，直至質量流量計顯示累積流量達到設置值，關閉質量流量器流量控制閥，結束注氫；然后再用氬氣吹掃，將注氫管路中的剩余氫吹掃進模型蒸汽發生器。與注氫球閥開啟同時，開始計時，記錄氫計在隨后十幾分鐘的輸出。

通過氫離子探測設備在不同位置測量鈉水反應時氫離子的傳輸過程，確定鈉水反應位置與監測點氫濃度關系。根據數值模擬結果調整測點位置，得出最佳測點布置方案。

2.2氫離子濃度的空間分布測量試驗

重復上述注氫操作，改變注氫量，通過不同位置的探測裝置監測氫離子濃度，同時記錄鈉溫及鈉流量參數，確定該工況下的氫離子濃度的空間分布。

根據注氫量的不同重復該試驗，確定不同工況下的氫離子濃度的空間分布，兼顧氫離子擴散傳輸路線，優化探測裝置布置方式，分析試驗結果，從而得出蒸汽發生器事故保護系統鈉水反應探測可靠性的實驗依據。通過實驗確定不同工況下金屬鈉中的氫飽和濃度，最終設定合理的報警閾值。

3 鈉水反應探測穩定性試驗

3.1探測系統測量結果不穩定性影響因素及其敏感性確定試驗

根據上述試驗數據，對不同工況下的小泄漏鈉水反應的監測數據及系統結構進行分析，大致確定其測量結果不穩定性影響因素；再次通過小泄漏模擬試驗，對鈉水反應探測系統影響因素的敏感性進行確認，根據試驗結果分別對探測裝置的系統結構、儀表測量系統、信息采集及數據處理系統進行優化設計。根據試驗結果對各影響因素進行權重分析，得到相應影響因素的修正數學模型，改變影響因素參數通過小泄漏實驗對數據結果進行驗證，以削弱或消除不穩定性影響。

3.2報警閾值確定試驗

在一定鈉溫下，凈化鈉至氫計讀數在半小時內不再變化的條件下，記錄各個讀數，此時鈉中氫含量為鈉流本底氫含量。改變鈉溫模擬二回路工藝系統工況，重新凈化鈉至氫計讀數在半小時內不再變化的條件下，記錄各個讀數，此時鈉中氫含量為該溫度下鈉流本底氫含量。多次重復測量本底氫含量，計算統計值及波動范圍，確定探測裝置報警理論值，結合注氫/注水試驗及影響因素，確定不同工況下的報警值，根據鈉水反應事故擴展過程試驗結論布置監測裝置，設定報警值，通過注氫/注水試驗驗證該報警值的合理性及探測系統的穩定性。

4 預期技術指標

通過小泄漏探測裝置報警閾值確定試驗，給出小泄漏探測裝置探測信號處理結果誤差及其修正系數，將小泄漏探測裝置報警氫濃度閾值，與實際泄漏發生時的最小氫濃度值誤差控制在±20%以內；通過探測系統測量結果不穩定性影響因素及其敏感性確定試驗，使改進后的小泄漏探測裝置，測量數據誤差波動控制在±20%以內，小泄漏探測裝置無故障連續運行時間不低于5 000h，小泄漏探測裝置，從透氫鎳管到信號的處理反饋輸出時間不超過60s；通過鈉水反應時氫離子擴散軌跡及其運輸路線測量試驗，和鈉水反應時氫離子濃度的空間分布測量試驗，將泄漏探測裝置可靠度控制在90%以上。

5 結論

本文主要對鈉水反應事故擴展研究試驗方案進行初步分析和設計，闡述試驗驗證的必要性，在微小泄漏鈉水反應發生時，氫計探測器的可靠性直接關系到氫計能否及時準確的發出鈉泄漏警報，對于及時發現和聯動事故保護系統具有很重要的意義。因此，要提高探測系統的可靠性，避免誤報的發生，必須對探測裝置進行可靠性驗證，根據實驗結果對探測系統進行校正改進。可靠性主要關注鈉水反應探測的靈敏度和響應時間兩方面，試驗主要通過改變實驗回路中氫離子濃度，并與裝置探測獲得的數值進行比較分析，從而確定探測裝置探測結果的準確性以及設定合理的報警閾值。通過試驗對比之前的理論分析，可以對設計進行更完善的驗證，支持總體的設計方案。

O6-3

A

1674-6708（2016）171-0158-02

裴志勇，中國原子能科學研究院。許業強，中國原子能科學研究院。武志廣，中國原子能科學研究院。